Sn含量對WC基金剛石鉆頭的性能影響研究①

王帥,呂智,林峰,謝德龍,潘曉毅

(1.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林541004; 3.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004;4.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004)

Sn含量對WC基金剛石鉆頭的性能影響研究①

王帥1,呂智2,3,4,林峰2,3,4,謝德龍2,3,4,潘曉毅2,3,4

(1.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林541004; 3.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004;4.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004)

文章以WC-Cu-Co基金屬結合劑為基礎,研究Sn含量對結合劑性能的影響。對不同Sn含量配方的三點抗彎強度、磨損失重、硬度進行了測試,最后通過微鉆實驗驗證實際鉆進效果。研究結果表明:隨著Sn含量的增加,胎體的三點抗彎強度τ0、磨損失重Δm值和硬度HRB均呈現出先上升然后逐漸下降的趨勢,Sn含量為4%左右時,胎體具有最好的力學性能和最小的磨損失重。微鉆實驗進一步驗證了Sn含量為4%的鉆頭配方具有較長的壽命和較高的效率。

Sn含量;金剛石鉆頭;力學性能;磨損失重;微鉆實驗

引言

1 實驗

1.1 胎體配方設計

在保持其它成分不變的情況下,通過調整Sn和Cu在配方中的含量來研究胎體的性能,不同Sn含量的配方依次編號為SN-,對應的含30%金剛石胎體亦依次編號為SN30-。具體配方組成見表1。

表1 胎體配方組成Table 1 Ingredient proportion of matrix

1.2 胎體的熱壓燒結和后續處理

按照表1中的配方進行混料、冷壓成型,然后置于國產真空熱壓燒結爐內燒結,真空度為0.1Pa,壓力為30MPa,燒結溫度為840℃,燒結保溫保壓時間為6min,燒結試樣的尺寸規格為30mm×12mm× 6mm。試樣燒結完后,待其冷卻至室溫后拆模,用 200目砂紙去除表面毛刺,含金剛石胎體用剛玉砂輪進行去毛刺處理。

1.3 力學性能測試及結構表征

采用TH300型洛氏硬度計和CMT4304液壓萬能材料試驗機分別測試胎體試樣的硬度和三點抗彎強度,用DHM-1型砂輪磨耗試驗機測試磨損失重,采用排水法測量胎體試樣的密度,用日本JSM-6700F型掃描電鏡觀察燒結后試樣的形貌。通過測定含30%(體積濃度)同種粒度金剛石燒結試樣的抗彎強度,間接計算不同溫度下此配方體系對金剛石的包鑲強度,用強度損失率σ來表示,其計算公式如下:

σ=(τ0-τ1)τ0×100%。

其中:τ0為不同Sn含量胎體三點抗彎強度;τ1為對應含30%金剛石胎體三點抗彎強度;所用金剛石的粒度為45/50目。

1) 掃描幀：聚束模式針對一定區域目標進行成像，波束在方位向完成一個掃描范圍Δθ為一掃描幀。一掃描幀的波束范圍掃描范圍為α～β(|α-β|=Δθ)，α為波束起始指向角，β為波束終止指向角。

1.4 微鉆實驗及數據處理

為了測試不同Sn含量金剛石鉆頭配方的具體鉆進效果,制做直徑為8mm、高10mm的微鉆頭。用夾子夾緊固定在鉆機上,對厚度為30mm、巖石可鉆性為7～8級的花崗巖進行鉆進。其中鉆機轉速為3000轉/min,水的添加量約為1L/min,具體微鉆實驗模型見圖1。在微鉆實驗中,每個孔用秒表記錄鉆頭從開始到鉆穿花崗巖塊所消耗的時間。每個鉆頭鉆進40個孔后,用千分尺測量鉆頭的高度消耗,計算公式為:Δh=h1-h2;其中h1為鉆前鉆頭高度;h2為鉆后鉆頭高度。然后通過計算得出鉆頭的理論壽命。鉆頭的效率用鉆頭鉆進每個孔所消耗的時間表示,計算公式為:其中T/40;T為鉆進40個孔消耗的總時間。

圖1 微鉆實驗模型Fig.1 The model of micro-drilling experiment

2 實驗結果與分析

2.1 三點抗彎強度

實驗測得的每種試樣及對應的含30%金剛石試樣的三點抗彎強度見表2。

表2 試樣三點抗彎強度及損失率Table 2 Three-point bending strength and loss ratio of the testing samples

為便于對比分析,把表2的實驗結果制成圖(圖2)。由圖2可知隨著Sn含量的升高,Cu含量的降低,胎體的三點抗彎強度先增大后逐漸減小,含金剛石的胎體也有同樣的結果。Sn含量為4%時,空白胎體和含金剛石胎體都有最高的三點抗彎強度,分別為1248MPa和848MPa,Sn含量超過6%后,空白胎體和含金剛石胎體的抗彎強度都呈逐漸降低的趨勢。

圖2 不同Sn含量試樣三點抗彎強Fig.2 Three-point bending strength of the testing samples of different Sn content

對比SN-1,SN-2和SN-3三個試樣配方,三者的Sn含量依次相差2%,但SN1和SN2的三點抗彎強度僅僅只相差了20MPa,而SN-3相對SN-2抗彎強度減小了大約170MPa左右,下降幅度較大。再對比三者的含金剛石胎體數據,強度損失率依次為37.3%、32.1%和35.2%,在Sn含量為4%時,強度損失率達到最低。Sn含量為2%時,空白胎體強度和4%時只相差了20MPa左右,但含金剛石胎體卻相差了80MPa左右。Sn含量為6%時,含金剛石胎體的抗彎強度相比4%時明顯減小,由于本身強度不高,所以強度損失率相比SN-1較低。造成上述結果的原因是:當Sn含量為2%時,燒結過程中Sn可以提供一定的液相,使整個燒結擴散過程進行得相對充分,但是由于Sn含量相對較低,在燒結溫度和保溫時間一定的情況下,擴散只能進行到一定的程度,胎體中形成的合金和固溶體含量相對較低,此時Cu含量相對較高,胎體的整體強度由Cu、Co等金屬和它們形成的部分合金提供,所以強度相比4%時低。當在胎體中加入金剛石,在燒結過程中擴散就更難進行,這時少量的液相Sn就不能充分發揮幫助燒結體擴散、致密的作用,胎體中形成的合金和固溶體進一步減少,部分WC也不能和Co、Cu等金屬相充分接觸,而在局部呈聚集狀態,所以含金剛石胎體的強度損失率較高。當Sn含量為4%時,Sn可以更加充分地發揮其在燒結過程中提供液相、幫助擴散的作用,此時胎體中形成了更多的合金和固溶體,固溶強化作用明顯,胎體強度進一步提高;其次適量的液相Sn在擴散過程中使胎體局部產生了更強的毛細現象,毛細管力使整個胎體更加致密,強度提高;再者液相Sn促使WC在胎體中分布得更加均勻,WC的彌散強化作用有所增強,強度也會有所上升。含金剛石的胎體在燒結擴散過程中也可以進行得更加充分,所以此時強度損失率相對較低。當Sn含量達到6%或者更多時,胎體在燒結過程中Sn開始流失,并帶走部分Cu和Co,加之此時Cu含量相對較低,胎體的中間相會明顯減少,胎體失去了強度支撐,所以胎體強度會大大降低,此時含金剛石胎體的強度也就跟著有所降低。

2.2 磨損失重和硬度

實驗測得的胎體的硬度和磨損失重結果見表3。SN-1由于Sn含量比較低,所以燒結后的胎體重量幾乎沒有減少,從SN-2試樣開始,燒結后胎體的重量呈一直減小的趨勢,說明隨著Sn含量的增加,胎體整體流料越來越嚴重。從SN-2開始,胎體的磨損失重越來越高,造成的原因是:Sn含量過高,在流失時帶走了胎體中的Cu和Co等中間相,造成胎體在局部出現了一定量的孔洞,而Sn含量越高,這種孔洞的數量就會越多,在磨損時這些有孔洞的地方結合力比較弱會很快被磨損掉,所以磨損失重隨著Sn含量的升高持續上升。

胎體的硬度整體上相差不大,SN-2稍微高出了一點。原因是HRB值代表了燒結體中各種相、空隙等綜合形成的微小整體局域的抗壓入能力,檢測所用的儀器鋼球直徑是1/16mm,在這個尺度范圍內, WC含量越高胎體的硬度會越大,實驗中所有配方的WC含量都是相同的,所以硬度差別不大。其次SN -2胎體在燒結過程中,Sn、Cu、Co等金屬形成了較多的合金相和固溶體,固溶強化作用較為明顯,并且液相Sn在擴散過程中在胎體局部產生了更多的毛細管力,使整個胎體更加致密,胎體對WC的局部支撐作用相對更強一些,整體硬度稍微有所上升。

表3 試樣的硬度和磨損失重Table 3 rigidity and wear weight loss of the testing samples

2.3 致密度

致密度的結果見表4。SN-2的致密度在所有的試樣中是最高的,說明Sn含量為4%時,燒結過程進行得比較充分。胎體中Cu和Co的含量相對較高,如果Sn的含量太高,在流失時會帶走部分的Cu和Co,造成胎體局部出現空隙,致密度降低,并且Sn含量過高時,在燒結過程中胎體中的其它基質成分也會隨之流失和減少,在擴散過程中胎體局部產生的毛細管力不足會使胎體進一步收縮使整個胎體更加致密,所以Sn含量不宜過高,以4%左右最為合適。

表4 致密度Table 4 Density

2.4 試樣SEM分析

為了進一步觀察胎體斷面的表面形貌,做了Sn含量為2%、4%和10%胎體的掃描電鏡,見圖3。從對比中可以觀察到,Sn含量為2%的胎體空隙比較少,胎體斷面多成韌窩狀,胎體局部有一些顆粒成聚集狀態。這說明Sn含量不足時,粉料擴散進行得不夠徹底,燒結不夠充分,導致在局部一部分WC顆粒呈聚集狀態,但此時胎體中的Cu含量相對較高,Cu和Co幾乎沒有流失,少量的液相Sn和Cu、Co等金屬也能產生一定量的合金和固溶體,它們對胎體有較強的強度支撐作用,所以此時整個胎體還是具有較高的強度的。Sn含量為4%的胎體空隙相比2%的更少,胎體斷面韌窩狀較多,并且局部幾乎沒有呈聚集狀態的WC。雖然此時胎體中Cu含量有所降低,對胎體的強度支撐作用會有所減小,但Sn含量的上升使胎體在燒結過程中粉料擴散的比較充分,Sn和Cu易形成固溶體和合金,此時絕大部分Sn以合金或者固溶體形式存在,幾乎沒有流失,胎體中形成了更多的合金或者固溶體,Sn的固溶強化作用明顯,胎體的強度反而增加;其次游離態的Sn可以在一定程度上使WC盡可能地和Cu、Co等金屬相以及它們形成的合金相充分接觸,這樣在一定程度上防止了WC顆粒間的聚集,有效降低了內應力,提高了WC的彌散強化作用,這樣在一定程度上也能提高胎體的力學強度;再次適量液相Sn在擴散過程中在胎體局部產生了更強的毛細顯現,使整個胎體更加致密,強度提升。Sn含量為10%時,整個胎體局部出現了很多空隙,胎體斷面韌窩狀較少,這說明在燒結過程中流料比較嚴重,并且在局部也有一定的顆粒團聚的現象。造成這種現象的原因一方面是Sn含量過高時,在燒結過程中Sn會大量流失,流失的過程中帶走大量的Cu和Co,而WC顆粒由于只接觸到少量的Cu和Co,所以部分WC顆粒間呈聚集狀態;另一方面此時配方中Cu含量達到最低,Sn和Cu之間雖然易形成固溶體,但此時Cu含量相對較低,行成的固溶體有限,并且大部分Sn是以液相流失的,并且流失時會帶走一部分金屬化合物,整個胎體的中間相減少較多,胎體失去了強度支撐作用,所以此時整個胎體強度較低,斷面韌窩狀較少。

圖3 不同Sn含量胎體掃描電鏡下的斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of the matrix of different Sn content under scanning electron microscope

2.5 微鉆試驗

為了驗證Sn含量為4%的胎體是不是具有較好的力學和磨損性能,取Sn含量為2%,4%,6%的配方進行微鉆實驗,其結果見表5。由微鉆結果可知Sn含量為4%的鉆頭不僅有較長的壽命,效率也相對較高,這和前面的力學測試結果和致密度測試結果是吻合的。

表5 不同Sn含量鉆頭微鉆試驗結果Table 5 The micro-drilling experiment result of bits of different Sn content

3 總結

(1)隨著Sn含量的增加,胎體的三點抗彎強度τ0、磨損失重Δm值和硬度HRB均呈現出先上升然后逐漸下降的趨勢,Sn含量為4%左右時,胎體中能夠形成較多的合金相和固溶體,固溶強化和WC的彌散強化作用使胎體具有較好的力學性能和較小的磨損失重。

(2)Sn含量較高的胎體在燒結過程中會產生嚴重的流料現象,胎體中的其它成分會隨著Sn流失,導致整個胎體出現較多的空隙,并伴有局部顆粒聚集現象。

(3)微鉆實驗驗證了Sn含量為4%的鉆頭配方具有較長的壽命和較高的效率,適合進一步研究開發。

[1] 孫毓超.金剛石工具胎體中合金元素的作用[C].2003年鄭州國際超硬材料研討會論文集,2004,9.

[2] 盧安軍,秦海清,雷曉旭,等.Ni對自由燒結金剛石工具胎體性能的影響[J].超硬材料工程,2014,2;35-39.

[3] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學基礎[M].北京:中國建材工業出版社,1999.

[4] 劉志環,潘曉毅,林峰,等.深孔鉆頭在新工藝條件下的配方設計初步研究[C].第六屆鄭州國際超硬材料及制品研討會論文集,2013;242.

[5] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業出版社,1985.

Study of the Influence of Sn Content on the Performance of WC-Base Diamond Drill Bit

WANG Shuai1,LV Zhi2,3,4,LIN Feng2,3,4,XIE De-long2,3,4,PAN Xiao-yi2,3,4
(1.College of Materials Science and Engineering,Guilin University of technology,Guilin,China 541004; 2.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004; 3.Chinese National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin 541004; 4.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material,Guilin 541004)

Based on the performance of WC-Cu-Co metal bond,the influence of Sn content on the performance of the bond has been studied.Three-point bending strength,wear weight loss and rigidity of the diamond bits of different Sn content have been tested and the actual dilling effect has been verified by micro-drilling experiment.The result shows that with the increase of the Sn content,the three-point bending strengthτ0,wear weight lossΔm and rigidity HRB of the matrix all increase and then decrease.The matrix presents the best mechanical property and the minimum wear weight loss when the Sn content is at 4%.Micro-drilling experiment has further verified that bits with 4%Sn content are more durable and effective.

Sn content;diamond bit;mechanical property;wear weight loss;micro-drilling experiment

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0005-05

2014-09-19

王帥,男,(1988-),桂林理工大學在讀碩士研究生,研究方向為超硬材料及制品。

科技部科研院所技術開發研究專項(項目編號:2013EG115007);廣西重點實驗室建設專項(廣西超硬材料重點實驗室);廣西自然科學基金面上項目(項目編號:2013GXNSFAA019320);廣西科學研究與技術開發計劃項目(項目編號:桂科攻1348008-3);中色集團科技開發項目(項目編號:2013KJJH11);桂林市科學研究與技術開發計劃項目(項目編號:20140104-4)